桁条弯形设计研究

郑娜娜，赵 乾，赵志峰，张 勇，余春华

(驻长治地区军事代表室，山西 长治 046012)

0 引言

在装备生产制造企业中，桁条作为关键零组件保护筒的重要组成部分，被广泛应用于型号产品中。桁条断面形状为U型，其成形的精度和质量直接影响保护筒的生产质量，因此对桁条进行弯形设计研究尤为重要。

目前，保护筒桁条弯形常用设备为折弯机，成型时需要在折弯机上折弯两次，实现两个直角边的弯形。折弯模头作为成型关键因素，依据桁条高度和折弯角度选定，若模头规格参数选用不当，在折弯第二个直角边时，先折弯好的直角边会与模头产生干涉，无法达到预期折弯效果，因此，迫切需要对保护筒桁条进行弯形设计研究。

本文对保护筒桁条弯形设计进行研究，从参数确定(模头角度、刀尖位置、接口尺寸)、干涉检验、强度校核等方面考虑，提出满足装备需求的保护筒桁条弯形模头设计方法。通过反复调整设计参数、分析计算、仿真模拟，对模头结构尺寸进行优化，满足了多种类型装备保护筒桁条生产需求。

1 桁条折弯成型基本原理

目前金属薄板折弯有两种方法：①是模具折弯，用于结构比较复杂、体积较小、大批量加工的金属薄壁件；②折弯机折弯，用于加工结构尺寸比较大的或产量不是太大的金属薄壁件。其中，折弯机折弯基本原理就是利用折弯机的折弯模头(上模)、凹槽(下模)对金属薄板进行折弯和成型。

本文保护筒桁条为金属薄壁U型结构件，成型包括以下步骤：根据桁条断面中性层长度确定待折弯U型结构件的板件尺寸，在板件上画出中心线和两条折弯线；分别沿两条折弯线折弯90°，形成U型结构件的两边；根据桁条两直角边长度去除多余材料，使U型件满足图纸尺寸要求。

2 参数确定

本文桁条截面形状为U形，材料为Q345A，厚度t=3 mm，内半径R0=5 mm，长度L=1 000 mm，如图1所示。

图1 桁条截面形状

2.1 模头角度确定

模头形状如图2所示。

2.1.1 模头圆角半径R确定

根据金属板材弯曲件凸模圆角半径计算公式，可得图2中模头圆角半径R(mm)：

(1)

其中：E为桁条材料的弹性模量,MPa;σs为桁条材料的屈服极限，MPa。

已知R0=5 mm,E=200 GPa,t=3 mm,σs=205 MPa,将各参数代入式(1)可得：R=4.97 mm。

根据经验，考虑回弹，选择模头圆角R=4.75 mm。

2.1.2 回弹角确定

依据回弹前后中性层长度不变的条件，可得回弹角为：

(2)

其中：φ0为零件要求的角度。

已知φ0=90，将相关参数代入式(2)计算可得：Δφ=4.74°。

因此，考虑回弹后，图2所示模头角度α=90°-4.74°=85.26°，取85°。

2.2 模头施力点选取

在折弯过程中，为防止模头在施力点位置产生弯矩，降低使用寿命，模头施力点应置于设备对模头施力面的对称中心线上，如图2所示。

图2 模头形状

2.3 模头形状参数及接口尺寸确定

图3 模头长度及卡槽尺寸

根据上述确定的模头角度、模头施力点、折弯设备接口尺寸，利用三维制图软件UG确定模头形状参数，如图4所示。

图4 模头形状参数 图5 干涉检验

3 干涉检验

桁条折弯过程中，若模头规格参数选用不当，折弯第二个直角边时会出现工件与模头干涉的现象，无法保证桁条成型要求。

利用三维制图软件UG模拟折弯过程中产品与设备干涉情况，调整模头形状尺寸，使产品与设备无干涉。实际成型过程先将桁条右侧直角边进行折弯，之后再折弯左侧直角边，调整模头形状尺寸，使第二个直角边折弯时工件与模头的最小距离大于0，本例调至3.1 mm，如图5所示。

4 强度校核

4.1 几何建模及网格划分

为简化几何建模过程，导入外部几何体模型(File→Import External Geometry File)。双击Engineering Date进入材料参数设置界面设置材料参数，选择材料Structural Steel。

本文采用自动划分网格法，在Outline(分析树)中选择Mesh节点，单击Mesh工具栏上的refinement命令对模头尖点位进行网格细化，单击Generate Mesh生成网格，如图6所示。

图6 模头网格划分

4.2 施加载荷与边界条件

在Outline(分析树)中选择Static Structural节点，单击Static Structural工具栏上的Fixed Support命令，选择如图7所示刀尖位置添加约束，单击Static Structural工具栏上的Force命令，在受力面添加载荷，载荷大小根据WE67K-600/6000DA69设备条件6 m长度受力600 t，模头长度l=500 mm时受力500 000 N。

图7 约束及载荷 图8 模头的变形云图 图9 模头的应力云图

4.3 设置求解项

在Outline(分析树)中选择Solution节点，单击Solution工具栏上的Deformation│Total命令，在分析树中插入Total Deformation(变形)项，单击Solution工具栏上的Stress│Equivalent命令，在分析树中插入Equivalent Stress(应力)项。

4.4 求解并显示分析结果

单击工具栏上的Solve按钮，启动求解，得到模头的变形云图及应力云图，如图8和图9所示。

保护筒桁条折弯模头材料选用T10钢，热处理后许用应力为900 MPa，刀尖位置许用应力为1 700 MPa，有限元分析可得模头最大应力274.96 MPa，满足使用要求。

5 试验验证

为验证设计的合理性，进行试模，折弯设备及模头如图10所示。选用材料Q345A，厚度t=3 mm的下料毛坯进行试制，折弯加工后U形结构件截面高度为50 mm、宽度为40 mm，总长L=1 000 mm，圆角为5 mm，如图11所示。经测量鉴定，尺寸符合图纸要求。

图10 折弯设备及模头 图11 试制U形件

6 结束语

本文对保护筒桁条折弯模头进行了设计研究，从参数确定、干涉检验、强度校核等方面考虑，设计了模头模型，并通过反复调整设计参数、分析计算、仿真模拟，对模头结构尺寸进行优化，经试制验证了设计的合理性。该技术研究保证了装备生产需求，为同类产品弯形模头设计积累了宝贵的经验。